Neurointerfacele - tehnologii care conectează creierul și computerul - devin treptat o rutină: am văzut deja cum, cu ajutorul ordinelor mentale, o persoană poate controla o proteză sau tip de text pe un computer. Înseamnă asta că promisiunile scriitorilor de ficțiune științifică care au scris despre citirea deplină a gândurilor folosind un computer sau chiar despre transferul conștiinței umane într-un computer vor deveni în curând o realitate? Același subiect - „Personalitate augmentată” - în anul 2019 este dedicat competiției de povești de ficțiune științifică „Ora viitoare”, organizată de fundația caritabilă Sistem. Împreună cu organizatorii competiției, editorii N + 1 și-au dat seama de ce sunt capabile interfețele neuronale moderne și dacă putem crea cu adevărat o conexiune între creier și calculator. Și Alexander Kaplan ne-a ajutat în acest sens,fondator al primului laborator rus de interfață la Lomonosov Moscova State University.
Piratează corpul
Neil Harbisson are achromatopsie congenitală, ceea ce l-a privat de viziunea culorii. Britanicul, hotărând să înșele natura, a implantat o cameră specială care transformă culoarea în informații sonore și o trimite la urechea interioară. Neil se consideră primul cyborg recunoscut oficial de stat.
În 2012, în Statele Unite, Andrew Schwartz de la Universitatea din Pittsburgh a demonstrat un pacient paralizat, în vârstă de 53 de ani, care, folosind electrozi implantați în creierul ei, a trimis semnale unui robot. A învățat să controleze robotul atât de mult încât a reușit să își servească singură o bară de ciocolată.
În 2016, în același laborator, un pacient de 28 de ani, cu o leziune vertebrală severă, a extins o mână artificială controlată de creier către Barack Obama, care l-a vizitat. Senzorii de pe mână au permis pacientului să simtă strângerea de mână a celui de-al 44-lea președinte al Statelor Unite.
Biotehnologia modernă permite oamenilor să „crape” limitările corpului lor, creând o simbioză între creierul uman și computer. Se pare că totul se îndreaptă către faptul că bioinginerie va deveni în curând o parte din viața de zi cu zi.
Video promotional:
Ce se va întâmpla în continuare? Filozoful și futuristul Max More, adept al ideii transhumanismului, de la sfârșitul secolului trecut, dezvoltă ideea de tranziție a omului la o nouă etapă a evoluției folosind, printre altele, tehnologia computerizată. În literatura și cinematografia din ultimele două secole, o piesă similară a imaginației futuriste a alunecat.
În lumea romanului de science-fiction Neuromancer, publicat în 1984, de William Gibbson, au fost dezvoltate implanturi care permit purtătorului lor să se conecteze la Internet, să extindă capacitățile intelectuale și să retrăiască amintirile. Masamune Shiro, autorul manga-sci-fi japonez cult "Ghost in the Shell" filmat recent în SUA, descrie un viitor în care orice organ poate fi înlocuit cu bionici, până la transferul complet al conștiinței în corpul unui robot.
Cât de departe pot ajunge interfețele neuronale într-o lume în care, pe de o parte, ignoranța înmulțește fanteziile, iar pe de altă parte, fanteziile se dovedesc adesea providență?
Diferenta potentiala
Sistemul nervos central (SNC) este o rețea de comunicare complexă. Există mai mult de 80 de miliarde de neuroni doar în creier și există miliarde de conexiuni între ei. La fiecare milisecundă în interiorul și în afara oricărei celule nervoase, distribuția ionilor pozitivi și negativi se schimbă, determinând cum și când va reacționa la un nou semnal. În repaus, neuronul are un potențial negativ în raport cu mediul (în medie -70 milivolți), sau „potențial de odihnă”. Cu alte cuvinte, este polarizat. Dacă un neuron primește un semnal electric de la un alt neuron, atunci pentru ca acesta să fie transmis mai departe, ioni pozitivi trebuie să intre în celula nervoasă. Depolarizarea are loc. Când depolarizarea atinge o valoare de prag (aproximativ -55 milivolți, cu toate acestea, această valoare poate varia),celula se entuziasmează și lasă ioni încărcați din ce în ce mai pozitiv, ceea ce creează un potențial pozitiv sau un „potențial de acțiune”.
Potențial de acțiune.
Mai departe, potențialul de acțiune de-a lungul axonului (canalul de comunicare celulară) este transmis dendritei - canalul receptor al celulei următoare. Cu toate acestea, axonul și dendrita nu sunt conectate direct, iar impulsul electric nu poate trece pur și simplu de la unul la altul. Locul de contact dintre ele se numește sinapsă. Sinapsele produc, transmit și primesc neurotransmițători - compuși chimici care „înaintează” direct un semnal de la axonul unei celule către dendrita alteia.
Când impulsul ajunge la capătul axonului, eliberează neurotransmițătorii în fanta sinaptică, traversând spațiul dintre celule și atașându-se la capătul dendritei. Forțează dendrita să lase ionii încărcați pozitiv, să treacă de la potențialul de repaus la potențialul de acțiune și să transmită un semnal către corpul celulei.
Tipul de neurotransmițător determină, de asemenea, ce semnal va fi transmis mai departe. De exemplu, glutamatul duce la arderea neuronală, acidul gamma-aminobutiric (GABA) este un important mediator inhibitor, iar acetilcolina poate face ambele în funcție de situație.
Așa arată un neuron schematic:
Diagrama neuronului.
Și așa arată în realitate:
Neuron sub microscop.
Mai mult, răspunsul celulei receptoare depinde de numărul și ritmul impulsurilor de intrare, informațiile provenite de la alte celule, precum și de zona creierului din care a fost trimis semnalul. Diferite celule auxiliare, sistemele endocrine și imune, mediul extern și experiența anterioară - toate acestea determină starea sistemului nervos central în acest moment și, prin urmare, afectează comportamentul uman.
Și deși, așa cum îl înțelegem, sistemul nervos central nu este un set de „fire”, activitatea neurointerfacțiilor se bazează tocmai pe activitatea electrică a sistemului nervos.
Salt pozitiv
Sarcina principală a neurointerfeței este decodificarea semnalului electric care vine din creier. Programul are un set de „șabloane” sau „evenimente” constând din diferite caracteristici ale semnalului: frecvențe de vibrație, vârfuri (vârfuri de activitate), locații pe cortex ș.a. Programul analizează datele primite și încearcă să detecteze aceste evenimente în ele.
Comenzile trimise depind în continuare de rezultatul obținut, precum și de funcționalitatea sistemului în ansamblu.
Un exemplu de astfel de model este potențialul evocat P300 (Positive 300), adesea folosit pentru așa-numitele vrăjitoare - mecanisme pentru tastarea textului folosind semnale creierului.
Când o persoană vede simbolul de care are nevoie pe ecran, după 300 de milisecunde, poate fi detectat un salt pozitiv al potențialului electric la înregistrarea activității creierului. La detectarea P300, sistemul trimite o comandă pentru a imprima caracterul corespunzător.
În acest caz, algoritmul nu poate detecta potențialul dintr-o dată datorită nivelului de zgomot al semnalului prin activitate electrică aleatorie. Prin urmare, simbolul trebuie prezentat de mai multe ori, iar datele obținute trebuie să fie făcute în medie.
În plus față de o schimbare cu un pas în potențial, neurointerfața poate căuta modificări în activitatea ritmică (adică, oscilatoare) a creierului cauzată de un anumit eveniment. Atunci când un grup suficient de mare de neuroni intră într-un ritm sincron al fluctuațiilor de activitate, acest lucru poate fi detectat pe spectrograma de semnal sub formă de ERS (sincronizare legată de eveniment). Dacă, dimpotrivă, există o desincronizare a oscilațiilor, atunci spectrograma conține ERD (desincronizare legată de evenimente).
În momentul în care o persoană face sau pur și simplu imaginează o mișcare a mâinii, ERD este observată în cortexul motor al emisferei opuse la o frecvență de oscilație de aproximativ 10-20 hertz.
Acest șablon și alte șabloane pot fi alocate manual programului, dar deseori sunt create în procesul de lucru cu fiecare individ specific. Creierul nostru, ca și caracteristicile activității sale, este individual și necesită adaptarea sistemului la el.
Înregistrarea electrozilor
Cele mai multe neurointerfețe folosesc electroencefalografia (EEG) pentru a înregistra activitatea, adică o metodă neinvazivă de neuroimagistică, datorită relativității sale și a siguranței. Electrozii atașați la suprafața capului înregistrează schimbarea câmpului electric cauzată de modificarea potențialului dendritelor după ce potențialul de acțiune a „traversat” sinapsa.
În momentul în care ionii pozitivi pătrund în dendrită, în mediul înconjurător se formează un potențial negativ. La celălalt capăt al neuronului, ionii cu aceeași încărcare încep să părăsească celula, creând un potențial pozitiv în exterior, iar spațiul care înconjoară neuronul se transformă într-un dipol. Câmpul electric care se propagă din dipol este înregistrat de un electrod.
Din păcate, metoda are mai multe limitări. Craniul, pielea și alte straturi care separă celulele nervoase de electrozi, deși sunt conductoare, nu sunt atât de bune încât să nu denatureze informațiile despre semnal.
Electrozii sunt capabili să înregistreze doar activitatea totală a multor neuroni vecini. Contribuția principală la rezultatul măsurării vine de la neuronii situați în straturile superioare ale cortexului, ale căror procese sunt perpendiculare pe suprafața sa, pentru că ei sunt cei care creează dipolul, câmpul electric pe care senzorul îl poate capta cel mai bine.
Toate acestea duc la pierderea informațiilor din structurile profunde și la o scădere a preciziei, astfel încât sistemul este obligat să lucreze cu date incomplete.
Electrozii invazivi, implantati la suprafata sau direct in interiorul creierului, permit o precizie mult mai mare.
Dacă funcția dorită este asociată cu straturile de suprafață ale creierului (de exemplu, activitatea motorie sau senzorială), atunci implantarea este limitată la trepanarea și atașarea electrozilor la suprafața cortexului. Senzorii citesc activitatea electrică totală a multor celule, dar acest semnal nu este la fel de distorsionat ca în EEG.
Dacă activitatea localizată mai adânc este importantă, atunci electrozii se introduc în cortex. Este chiar posibilă înregistrarea activității neuronilor singuri folosind microelectrodi speciali. Din păcate, tehnica invazivă reprezintă un pericol potențial pentru oameni și este folosită în practica medicală doar în cazuri extreme.
Cu toate acestea, există speranța că tehnica va deveni mai puțin traumatică în viitor. Compania americană Neuralink intenționează să pună în aplicare ideea de a introduce în siguranță mii de electrozi subțiri subțiri, fără să găuriți în craniu, folosind un fascicul laser.
Câteva alte laboratoare lucrează la senzori biodegradabili care vor elimina electrozii din creier.
Banana sau portocala?
Înregistrarea semnalului este doar primul pas. În continuare, trebuie să o „citiți” pentru a determina intențiile din spatele acesteia. Există două moduri posibile de decodificare a activității creierului: lăsați algoritmul să aleagă caracteristicile relevante din setul de date în sine sau să oferiți sistemului o descriere a parametrilor pe care să îi căutați.
În primul caz, algoritmul, nelimitat de parametrii de căutare, clasifică semnalul „brut” în sine și găsește elemente care prezic intenții cu cea mai mare probabilitate. Dacă, de exemplu, un subiect se gândește alternativ la mișcare cu mâna dreaptă și stângă, programul este capabil să găsească parametrii semnalului care să distingă maxim o opțiune de alta.
Problema acestei abordări este că parametrii care descriu activitatea electrică a creierului sunt prea multidimensionale, iar datele sunt prea zgomotoase cu diverse zgomote.
Cu al doilea algoritm de decodare, este necesar să știm în prealabil unde și ce să căutăm. De exemplu, în exemplul spellerului P300 descris mai sus, știm că atunci când o persoană vede un simbol, potențialul electric se schimbă într-un anumit mod. Învățăm sistemul să caute aceste schimbări.
Într-o astfel de situație, capacitatea de a descifra intențiile unei persoane este legată de cunoștințele noastre despre modul în care funcțiile creierului sunt codificate în activitatea neuronală. Cum se manifestă această sau acea intenție sau stare în semnal? Din păcate, în majoritatea cazurilor nu avem un răspuns la această întrebare.
Cercetările neurobiologice cu privire la funcția cognitivă sunt în desfășurare, dar cu toate acestea, putem descifra o fracțiune foarte mică din semnale. Creierul și conștiința rămân pentru noi o „cutie neagră” deocamdată.
Alexander Kaplan, neurofiziolog, doctor în științe biologice și fondator al Laboratorului de neurofiziologie și neurointerfețe de la Universitatea de Stat din Lomonosov din Moscova, care a primit prima subvenție în Rusia pentru dezvoltarea unei neurointerfețe pentru comunicarea dintre creier și computer, spune că cercetătorii sunt capabili să descifreze automat unele intenții sau imagini umane imaginate de ei pe baza EEG. …
Cu toate acestea, în acest moment, nu există mai mult de o duzină de astfel de intenții și imagini. Acestea sunt, de regulă, stări asociate cu relaxarea și tensiunea mentală sau cu reprezentarea mișcărilor părților corpului. Și chiar recunoașterea lor apare cu erori: de exemplu, pentru a stabili de către EEG că o persoană intenționează să înclește mâna dreaptă într-un pumn, chiar și în cele mai bune laboratoare este posibil în cel mult 80-85 la sută din numărul total de încercări.
Și dacă încercați să înțelegeți din EEG dacă o persoană își imaginează o banană sau o portocalie, atunci numărul de răspunsuri corecte va depăși doar ușor nivelul de ghicire aleatorie.
Cel mai trist lucru este că nu a fost posibilă îmbunătățirea fiabilității sistemelor de neurointerfață în recunoașterea intențiilor umane de către EEG și extinderea listei de astfel de intenții pentru mai mult de 15 ani, în ciuda progreselor semnificative în dezvoltarea algoritmilor și tehnologiei de calcul realizate în același timp.
Aparent, EEG reflectă doar o mică parte din activitatea mentală a unei persoane. Prin urmare, sistemele de neurointerfață ar trebui abordate cu așteptări moderate și să contureze clar domeniile de aplicare reală ale acestora.
Pierdut în traducere
De ce nu putem crea un sistem care să facă ceea ce creierul poate face cu ușurință? Pe scurt, modul în care creierul funcționează este prea complex pentru capacitățile noastre analitice și de calcul.
În primul rând, nu cunoaștem „limbajul” în care sistemul nervos comunică. Pe lângă seria de impulsuri, se caracterizează prin numeroase variabile: caracteristicile căilor și ale celulelor în sine, reacții chimice care au loc la momentul transferului de informații, activitatea rețelelor neuronale vecine și a altor sisteme corporale.
Pe lângă faptul că „gramatica” acestui „limbaj” este complexă în sine, poate diferi în diferite perechi de celule nervoase. Situația este agravată de faptul că regulile de comunicare, precum și funcțiile celulelor și relațiile dintre ele sunt toate foarte dinamice și se schimbă constant sub influența noilor evenimente și condiții. Aceasta crește exponențial cantitatea de informații care trebuie luate în considerare.
Datele care descriu pe deplin activitatea creierului vor îneca pur și simplu orice algoritm care se angajează să-l analizeze. Prin urmare, decodarea intențiilor, amintirilor, mișcărilor este practic o sarcină insolubilă.
Al doilea obstacol este că nu știm prea multe despre funcțiile creierului pe care încercăm să le detectăm. Din ce este memoria sau imaginea vizuală, din ce sunt făcute acestea? Neurofiziologia și psihologia încearcă să răspundă la aceste întrebări de multă vreme, dar până acum nu există prea multe progrese în cercetare.
Cele mai simple funcții, cum ar fi funcțiile motorii și senzoriale au avantajul în acest sens, deoarece acestea sunt mai bine înțelese. Prin urmare, interfețele neuronale disponibile în prezent interacționează în principal cu ele.
Ei sunt capabili să recunoască senzațiile tactile, mișcarea imaginară a unui membre, răspuns la stimularea vizuală și reacții simple la evenimentele de mediu, cum ar fi un răspuns la o eroare sau o nepotrivire între stimulul așteptat și cel real. Dar activitatea nervoasă mai mare rămâne un mare secret pentru noi astăzi.
Comunicare bidirecțională
Până acum, am discutat doar situația citirii unidirecționale a informațiilor fără nicio influență înapoi. Cu toate acestea, astăzi există deja o tehnologie pentru a transmite semnale de la un computer la creier - CBI (interfață computer-creier). Acesta face canalul de comunicare al neurointerfacției în două sensuri.
Informații (de exemplu, senzații sonore, tactile și chiar date despre funcționarea creierului) intră în computer, sunt analizate și, prin stimularea celulelor sistemului nervos central sau periferic, sunt transmise creierului. Toate acestea pot apărea complet ocolind organele naturale ale percepției și sunt utilizate cu succes pentru a le înlocui.
Potrivit lui Alexander Kaplan, în prezent nu mai există restricții teoretice pentru dotarea unei persoane cu „organe” senzoriale artificiale conectate direct la structurile creierului. Mai mult, ele sunt introduse activ în viața de zi cu zi a unei persoane, de exemplu, pentru a înlocui organele de simț natural perturbate.
Pentru persoanele cu deficiențe de auz, sunt deja disponibile așa-numitele implanturi cohleare: microcipuri care combină un microfon cu receptorii auditivi. Testele implanturilor retiniene pentru refacerea vederii au început.
Potrivit lui Kaplan, nu există restricții tehnice pentru conectarea oricărui alt senzor la creier care răspunde la ultrasunete, modificări ale radioactivității, vitezei sau presiunii.
Problema este că aceste tehnologii trebuie să se bazeze complet pe cunoștințele noastre despre modul în care funcționează creierul. Care, după cum am aflat deja, sunt destul de limitate.
Singura modalitate de a rezolva această problemă, potrivit Kaplan, este de a crea un canal de comunicare fundamental nou, cu propriul limbaj de comunicare și de a învăța nu numai computerul, ci și creierul să recunoască noi semnale.
Astfel de evoluții au început deja. De exemplu, în laboratorul de fizică aplicată de la Universitatea Johns Hopkins în urmă cu câțiva ani, au testat o mână bionică capabilă să transmită informații tactile creierului.
La atingerea senzorilor mâinii artificiale, electrozii stimulează căile sistemului nervos periferic, care apoi transmit semnalul în zonele senzoriale ale creierului. O persoană învață să recunoască semnalele primite ca diferite tipuri de atingere. Astfel, în loc de a încerca să reproducă sistemul tactil de semnale naturale pentru oameni, este creat un nou canal și un limbaj de comunicare.
Cu toate acestea, această cale de dezvoltare este limitată de numărul de canale noi pe care le putem crea și de cât de informative vor fi pentru creier, spune Alexander Kaplan.
Timpul viitor
Kaplan consideră că în acest moment nu există o nouă modalitate de a dezvolta tehnologii de neurointerfață. Potrivit acestuia, însăși posibilitatea unei interfețe de comunicare între creier și computer a fost descoperită în anii 70 ai secolului trecut, iar principiile creierului, pe care se bazează evoluțiile actuale, au fost descrise în urmă cu aproximativ treizeci de ani și de atunci practic nu au apărut idei noi.
De exemplu, potențialul folosit acum pe scară largă al P300 a fost descoperit în anii '60, imagini cu motor - în anii '80-'90 și negativism nepotrivit - în anii '70).
O dată, oamenii de știință au avut speranțe că vor fi capabili să stabilească un contact informațional mai strâns între creier și tehnologia procesoarelor, dar astăzi a devenit clar că nu au devenit realitate.
Cu toate acestea, spune Kaplan, a devenit clar că neurointerfețele pot fi implementate pentru uz medical. Potrivit omului de știință, acum dezvoltarea neurointerfețelor este în cea mai mare măsură prin introducerea tehnologiei în sfera clinică.
O dată, oamenii de știință au avut speranțe că vor fi capabili să stabilească un contact informațional mai strâns între creier și tehnologia procesoarelor, dar astăzi a devenit clar că nu au devenit realitate.
Cu toate acestea, spune Kaplan, a devenit clar că neurointerfețele pot fi implementate pentru uz medical. Potrivit omului de știință, acum dezvoltarea neurointerfețelor este în cea mai mare măsură prin introducerea tehnologiei în sfera clinică.
Cu toate acestea, datorită cercetării creierului și a progreselor în tehnologie, neurointerfețele de astăzi sunt capabile de ceea ce altădată părea practicabil. Nu știm sigur ce se va întâmpla în 30, 50 sau 100 de ani. Istoricul științei Thomas Kuhn a propus ideea că dezvoltarea științei este un ciclu: perioadele de stagnare sunt înlocuite de schimbări paradigmatice și revoluții științifice care urmează. Este foarte posibil ca în viitor să avem o revoluție care să scoată creierul din cutia neagră. Și ea va veni din partea cea mai neașteptată.
Maria Ermolova
